一种小型化宽带频率合成装置
阅读说明：本技术 一种小型化宽带频率合成装置 (Miniaturized broadband frequency synthesizer ) 是由 李旭 李柏林 王康健 王晓 孔德胜 于 2020-12-14 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种小型化宽带频率合成装置,采用多环锁相技术与直接数字频率合成技术相结合的方案,主要包括第二本振锁相环PLL1、DDS电路、第一本振环路以及低噪声步进锁相环；第一本振采用多环锁频率合成方案,其中主环路反馈通道采用分频和混频结合的方案,在任意扫宽下环路均处于锁定状态,无需复杂的频率预置电路和算法；频率切换时通过断开环路滤波器中的模拟开关保持当前的积分电压,确保切换瞬间VCO频率保持稳定,不出现失锁问题。采用高集成度低噪声的步进锁相环,避免了取样方案电路复杂、输出信号边带杂散高的问题。对面向多场景测试的手持式频谱仪的小型化、轻量化、低功耗、长续航设计提供了硬件基础。(The invention relates to a miniaturized broadband frequency synthesis device, which adopts a scheme of combining a multi-ring phase-locking technology and a direct digital frequency synthesis technology and mainly comprises a second local oscillator phase-locked loop PLL1, a DDS circuit, a first local oscillator loop and a low-noise step phase-locked loop; the first local oscillator adopts a multi-loop lock frequency synthesis scheme, wherein a main loop feedback channel adopts a scheme combining frequency division and frequency mixing, and the loop is in a locked state under any sweep width without a complex frequency preset circuit and algorithm; when the frequency is switched, the current integrated voltage is kept by disconnecting the analog switch in the loop filter, so that the VCO frequency is kept stable at the moment of switching, and the problem of lock losing is avoided. By adopting the high-integration low-noise stepping phase-locked loop, the problems of complex circuit and high stray of output signal sideband of a sampling scheme are avoided. The hand-held frequency spectrograph for the multi-scene test is miniaturized, light in weight, low in power consumption and long in endurance design.)
技术领域
本发明涉及频率合成领域，具体是一种小型化宽带频率合成装置。
背景技术
随着无线通信技术和军用电子装备的快速发展，手持式频谱分析仪的使用场景越来越广阔，产品本身除要求小型化、低功耗、多测量功能外，性能指标也接近中档台式频谱分析仪，这对包括手持式频谱分析仪宽带第一本振频率合成在内的电路设计提出了更高的要求。
手持式频谱分析仪的第一本振目前常用的有两种方案，第一种是单环频率合成方案，包括频率合成芯片、宽带VCO、有源环路滤波器、小数分频器、定向耦合器等，由这些电路构成一个锁相环电路，特点是体积小巧，频率扫描速度快，但是存在相位噪声差、整数边界杂散明显等问题。第二种是多环频率合成方案，包括小数环、取样本振环和第一本振VCO主环路等多个锁相环，原理框图如图1所示。多环锁相频率合成方案中，小数环为第一本振VCO主环提供50～100MHz的锁相参考信号，由于采用32或48位小数分频设计，它确保了整机的高频率分辨率指标并提供扫频功能；取样本振环采用反馈通道内插混频器的设计方案，降低了锁相环的反馈分频比，从而输出高频谱纯度的本振信号给取样器，对宽带VCO输出信号(直接输出或经分频输出)进行取样变频产生与小数环相同的频率信号，经鉴相和电荷泵后进行环路滤波，产生的误差电压控制VCO输出频率。多环频率合成电路具有相位噪声指标出色、边带杂散小等优点，对于手持式频谱分析仪整机实现低相位噪声和低杂散指标起到非常关键的作用。
传统手持式频谱仪第一本振频率合成方案中，取样本振的频率通常为600～800MHz，VCO输出频率4～8GHz或6～12GHz，宽带本振反馈通道利用取样本振的多次谐波与射频信号进行取样变频，容易出现频率错锁至不需要的谐波次数或当前取样谐波镜像频率上的问题，需要在VCO调谐端增加专门的DAC控制电路避免上述错锁问题的出现，在设置某一个频率前需首先在开环状态下提前设置调谐电压，使得宽带VCO保持在锁定频率附近，之后再闭合锁相环电路，通过环路自身的捕获跟踪能力实现最终锁定，这需要复杂的校准算法和试验过程来对VCO的调谐特性进行摸底和数据拟合，调试过程较长并且受环境温度影响较大，容易随时间和温度特性的变化出现频率漂移从而引起失锁问题。此外传统方案中取样本振实现方案比较复杂，为实现低相位噪声需要通过倍频的方式将100MHz频率参考转换成600MHz，倍频转换过程中的100MHz、300MHz、600MHz以及取样本振自身的功率较高，手持式频谱分析仪受限于整机的体积，所有本振频率合成电路都在同一个电路板上实现，这些大功率信号容易对包括频率合成芯片、取样器和混频器在内的高灵敏电路造成干扰，从而产生边带杂散，尽管可以通过改变取样器的本振和中频频率组合的方式规避掉部分杂散，但仍然会有部分频率点杂散不能消除影响最终的宽带本振输出信号质量。
目前手持式频谱分析仪中的取样本振、小数环等电路主要采用频率合成器、VCO、有源环路滤波器、混频器、滤波器等电路组合构建而成，电路占用面积偏大并且功耗也比较高，影响了手持式频谱分析仪整机的体积和功耗等特性。
发明内容
针对现有技术中存在的上述技术问题，本发明提出了一种小型化宽带频率合成装置，采用多环锁相技术与直接数字频率合成技术相结合的方案，设计合理，克服了现有技术的不足，具有良好的效果。
为了实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：
一种小型化宽带频率合成装置，包括第二本振锁相环PLL1、DDS电路、第一本振环路以及低噪声步进锁相环；其中，第二本振锁相环PLL1的输入端和低噪声步进锁相环的输入端连接，第二本振锁相环PLL1、DDS电路以及第一本振环路依次连接，第二本振锁相环PLL1与第一本振环路连接至频谱仪射频通道中的混频器，3倍频器和低噪声步进锁相环连接至第一本振环路；
第一本振环路，包括第一本振频率合成器、单刀单掷模拟开关、环路滤波器、宽带VCO、定向耦合器、2分频器、第一单刀双掷射频开关、反馈N分频器、反馈放大器、混频器、滤波器以及第二单刀双掷射频开关；其中，第一本振频率合成器依次与单刀单掷模拟开关、环路滤波器、宽带VCO以及定向耦合器连接，定向耦合器分别与频谱仪射频通道中的混频器和2分频器连接，2分频器与第一单刀双掷射频开关连接，第一单刀双掷射频开关分两路，一路与反馈N分频器连接，另一路与反馈放大器、混频器和滤波器连接，两路共同连接至第二单刀双掷射频开关，第二单刀双掷射频开关连接至第一本振频率合成器。
优选地，第一本振频率合成器，集成锁相芯片，包括参考R分频器、反馈N分频器、鉴频鉴相器以及电荷泵，其中，参考信号通过参考R分频器进入鉴频鉴相器，反馈信号通过反馈N分频器进入鉴频鉴相器，鉴频鉴相器根据两路信号的相位误差由电荷泵输出误差电流进入环路滤波器。
优选地，单刀单掷模拟开关具有低导通电阻、高隔离指标和nA级的泄露电流，用于主环路由分频模式向混频模式切换时的调谐电压保持功能，断开时由于锁相环电荷泵切换时处于高阻态，确保射频开关切换瞬间VCO频率保持稳定。
优选地，环路滤波器采用运算放大器、模拟开关和电阻电容构成的有源环路滤波器，用于宽带VCO的环路参数控制及噪声抑制，其中电阻和电容串联连接，运算放大器和电阻、电容并联连接。
优选地，参考环晶振产生的100MHz信号经过3倍频器倍频为300MHz后作为低噪声步进锁相环的参考信号，该参考信号在低噪声步进锁相环内部的参考R分频器内进一步分频为150MHz或60MHz；低噪声步进锁相环采用内置VCO的低噪声频率合成芯片，具有非常好的本底噪声和VCO噪声，步进锁相环的鉴相频率选择60MHz以上，输出频率3～6GHz作为一本振反馈通道混频器的射频信号(与第一本振VCO输出的2分频信号频率相差50～100MHz)，使用高鉴相频率低反馈分频比可以使得低噪声步进锁相环产生低噪声、大步进频率的信号。
优选地，第二本振锁相环PLL1产生整机所需要的第二本振信号，并为DDS电路提供低相位噪声的1600MHz频率参考；DDS电路通过直接数字频率合成方式产生50～100MHz频率区间的扫频信号给第一本振频率合成器提供低相位噪声锁相参考信号，相比于小数环具有相位噪声和杂散低、扫描速度极快的优点；第一本振频率合成器比较参考信号和反馈信号的相位差，通过内部电荷泵输出误差电流给环路滤波器转换成误差电压调谐VCO输出频率；环路滤波器含混频和分频模式下两种不同的环路参数，整机根据扫宽设置进行环路滤波器的选择控制；宽带VCO选择6～12GHz的频段，根据应用场合的不同，也可以选择其他频段如4～8GHz的VCO；定向耦合器将VCO信号主路输出给频谱仪射频通道中的混频器，辅路输出给锁相环的反馈通道；
优选地，在反馈通道中，2分频器将6～12GHz的一本振反馈信号转换为3～6GHz，通过降低频率减小后端电路设计难度，若VCO频段与后端混频器和步进环的工作频率区间一致，也可不用分频器，第一单刀双掷射频开关根据主机扫宽设置选择分频通路或混频通路；分频通路为，2分频器输出的3～6GHz反馈信号通过反馈N分频器N分频后产生50～100MHz区间的反馈鉴相信号，反馈给第一本振频率合成器；混频通路为，2分频器输出的3～6GHz反馈信号通过反馈放大器放大后作为混频器的本振信号，混频器将反馈通道的3～6GHz的本振信号与低噪声步进锁相环产生的射频信号混频，输出50～100MHz的中频信号反馈给第一本振频率合成器。
优选地，第一本振主环路的反馈通道采用N分频模式和混频模式相结合，整机设置为大扫宽时采用N分频模式，以牺牲相位噪声换取高扫描速度，整机设置为较小扫宽时，第一本振主环路的反馈通道采用混频模式，由低噪声步进锁相环提供高频谱纯度的射频信号给混频器，以降低反馈分频比来获取优异的频谱纯度指标。
优选地，混频模式的扫频功能和小频率步进由DDS电路实现，大频率步进和低相位噪声指标的实现依赖于低噪声步进锁相环的鉴相频率和相噪指标；混频模式的扫描起始频率预置通过N分频方式实现，分频模式设置第一本振起始频率之后，断开第一本振频率合成器后端的单刀单掷模拟开关维持当前的调谐电压不变，完成DDS和步进环的频率设置后再将单刀单掷模拟开关接通，使得通道中的第一单刀双掷射频开关切换时第一本振输出频率能快速切换到设置频率。
优选地，反馈N分频器的分频比N为64。
优选地，由于混频器是非线性器件，中频输出端口包含了射频与本振的和频、差频、本振信号、射频信号及两者多次交调产物，滤波器用于抑制除差频信号外的其他频率，使第一本振的反馈鉴相信号具有较高的频谱纯度。
本发明所带来的有益技术效果：
本发明采用内插混频及分频相结合的方案，多环锁相时无需频率预置，能够在任何状态下环路均处于锁相状态；采用高集成度的DDS芯片和步进锁相环芯片，主环路反馈通道采用混频方案，电路面积小，控制方案简单，具有扫描速度快、频谱纯度高、功耗低、体积小等优点，对面向多场景测试的手持式频谱仪的小型化、轻量化、低功耗、长续航设计提供了硬件基础。
附图说明
图1是传统的多环频率合成方案原理图；
图2是本发明中一种小型化宽带频率合成装置的结构示意图；
图3是本发明中一种小型化宽带频率合成装置的原理图；
其中，1-第二本振锁相环PLL1；2-DDS电路；3-第一本振频率合成器；4-单刀单掷模拟开关；5-环路滤波器；6-宽带VCO；7-定向耦合器；8-2分频器；9-第一单刀双掷射频开关；10-反馈N分频器；11-反馈放大器；12-混频器；13-滤波器；14-第二单刀双掷射频开关；15-3倍频器；16-低噪声步进锁相环；
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的具体实施方式做进一步说明：
一种小型化宽带频率合成装置，如图2、3所示，包括第二本振锁相环PLL1(1)、DDS电路(2)、第一本振环路以及低噪声步进锁相环(16)；其中，第二本振锁相环PLL1(1)的输入端和低噪声步进锁相环(4)的输入端连接，第二本振锁相环PLL1(1)、DDS电路(2)以及第一本振环路依次连接，第二本振锁相环PLL1与第一本振环路连接至频谱仪射频通道中的混频器，3倍频器(15)和低噪声步进锁相环(16)连接至第一本振环路；
第一本振环路，包括第一本振频率合成器(3)、单刀单掷模拟开关(4)、环路滤波器(5)、宽带VCO(6)、定向耦合器(7)、2分频器(8)、第一单刀双掷射频开关(9)、反馈N分频器(10)、反馈放大器(11)、混频器(12)、滤波器(13)以及第二单刀双掷射频开关(14)；其中，第一本振频率合成器(3)依次与单刀单掷模拟开关(4)、环路滤波器(6)、宽带VCO(6)以及定向耦合器(7)连接，定向耦合器(7)分别与频谱仪射频通道中的混频器和2分频器(8)连接，2分频器(8)与第一单刀双掷射频开关(9)连接，第一单刀双掷射频开关(9)分两路，一路与反馈N分频器(10)连接，另一路与反馈放大器(11)、混频器(12)和滤波器(13)连接，两路共同连接至第二单刀双掷射频开关(14)，第二单刀双掷射频开关(14)连接至第一本振频率合成器(3)。
具体地，第一本振频率合成器(3)，集成锁相芯片，包括参考R分频器、反馈N分频器、鉴频鉴相器以及电荷泵，其中，参考信号通过参考R分频器进入鉴频鉴相器，反馈信号通过反馈N分频器进入鉴频鉴相器，鉴相器根据两路信号的相位误差由电荷泵输出误差电流进入环路滤波器。。
具体地，单刀单掷模拟开关(4)具有低导通电阻、高隔离指标和nA级的泄露电流，断开时由于锁相环电荷泵切换时处于高阻态，确保射频开关切换瞬间VCO频率保持稳定。
具体地，环路滤波器(5)采用运算放大器、模拟开关和电阻电容构成的有源环路滤波器，其中电阻和电容串联连接，运算放大器和电阻、电容并联连接。
具体地，一种小型化宽带频率合成装置的工作过程为：
参考环晶振产生的100MHz信号经过3倍频器(14)倍频为300MHz后作为低噪声步进锁相环(15)的参考信号，该参考信号在低噪声步进锁相环(15)内部的参考R分频器内进一步分频为150MHz或60MHz；低噪声步进锁相环(15)采用内置VCO的低噪声频率合成芯片，步进锁相环的鉴相频率选择60MHz以上，输出频率3～6GHz作为第一本振反馈通道混频器(12)的射频信号。
第二本振锁相环PLL1(1)产生整机所需要的第二本振信号，并为DDS电路(2)提供低相位噪声的1600MHz频率参考；DDS电路(2)通过直接数字频率合成方式产生50～100MHz频率区间的扫频信号给第一本振频率合成器(3)提供低相位噪声锁相参考信号；第一本振频率合成器(3)比较参考信号和反馈信号的相位差，通过内部电荷泵输出误差电流给环路滤波器(5)转换成误差电压调谐VCO输出频率；环路滤波器(5)含混频和分频模式下两种不同的环路参数，整机根据扫宽设置进行环路滤波器(5)的选择控制；宽带VCO(6)选择6～12GHz的频段，定向耦合器(7)将VCO信号主路输出给频谱仪射频通道中的混频器，辅路输出给锁相环的反馈通道；
在反馈通道中，2分频器(8)将6～12GHz的第一本振反馈信号转换为3～6GHz，第一单刀双掷射频开关(9)根据主机扫宽设置选择分频通路或混频通路；分频通路为，2分频器(8)输出的3～6GHz反馈信号通过反馈N分频器(10)N分频后产生50～100MHz区间的反馈鉴相信号，反馈给第一本振频率合成器(3)，分频比N为64；混频通路为，2分频器(8)输出的3～6GHz反馈信号通过反馈放大器(11)放大后作为混频器(12)的本振信号，混频器(12)将反馈通道的3～6GHz的本振信号与低噪声步进锁相环(15)产生的射频信号混频，输出50～100MHz的中频信号反馈给第一本振频率合成器(3)。
具体地，第一本振主环路的反馈通道采用N分频模式和混频模式相结合，整机设置为大扫宽时采用N分频模式，以牺牲相位噪声换取高扫描速度，整机设置为较小扫宽时，第一本振主环路的反馈通道采用混频模式，由低噪声步进锁相环提供高频谱纯度的射频信号给混频器，以降低反馈分频比来获取优异的频谱纯度指标。
具体地，混频模式的扫频功能和小频率步进由DDS电路实现，大频率步进和低相位噪声指标的实现依赖于低噪声步进锁相环的鉴相频率和相噪指标；混频模式的扫描起始频率预置通过N分频方式实现，分频模式设置第一本振起始频率之后，断开第一本振频率合成器后端的单刀单掷模拟开关维持当前的调谐电压不变，完成DDS和步进环的频率设置后再将单刀单掷模拟开关接通，使得通道中的第一单刀双掷射频开关切换时第一本振输出频率能快速切换到设置频率。
具体地，由于混频器(12)是非线性器件，中频输出端口包含了射频与本振的和频、差频、本振信号、射频信号及两者多次交调产物，滤波器用于抑制除差频信号外的其他频率，使第一本振的反馈鉴相信号具有较高的频谱纯度。
本发明所采用的第一本振频率合成装置，在多环锁相状态下，由反馈N分频器预置调谐频率，环路滤波器中的低泄露电流模拟开关保持调谐电压，设置DDS频率和步进锁相环频率后再切换射频开关和模拟开关从而实现多环频率的重新锁定，VCO调谐端不需要额外增加预置DAC电路进行多环锁相时的频率预置；多环模式下第一本振反馈通道用混频器替代取样器，避免了取样变频方案中除本振倍频效应外相位噪声额外造成的5～8dB的损失，在电路面积大幅度减小的情况下，用步进锁相环替代取样本振能够获取好于原方案的相位噪声指标，并且杂散指标也能大幅度提升。
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。